乙醇及水的精餾塔設(shè)計

..題目：乙醇-水精餾塔工藝設(shè)計與塔頂冷凝器選型設(shè)計專業(yè)：煤炭深加工與利用學生：武婷學號:090010小組成員:郭澤紅指導教師:完成日期:XX工業(yè)高等專科學校教務處印制〔烏魯木齊市830091〕..化工原理課程設(shè)計任務書設(shè)計題目：乙醇——水連續(xù)精餾塔的設(shè)計設(shè)計人員所在班級成績指導教師日期一、設(shè)計題目：乙醇－水連續(xù)精餾塔的設(shè)計二、設(shè)計任務及操作條件〔1〕進精餾塔的料液含乙醇35%〔質(zhì)量分數(shù)，下同〕，其余為水；〔2〕產(chǎn)品的乙醇含量不得低于94；〔3〕塔頂易揮發(fā)組分回收率為99.5%；〔4〕生產(chǎn)能力為25000噸/年94%的乙醇產(chǎn)品；〔5〕每年按330天計，每天24h連續(xù)運行?！?〕操作條件a)塔頂壓強4kPa(表壓)b)進料熱狀態(tài)自選c)回流比自選d〕加熱蒸汽壓力低壓蒸汽〔或自選〕e)單板壓降小于等于0.7kPa三、設(shè)備形式：篩板塔或浮閥塔四、設(shè)計容：1、設(shè)計說明書的容1)精餾塔的物料衡算；2)塔板數(shù)確實定；3)精餾塔的工藝條件及有關(guān)物性數(shù)據(jù)的計算；4〕精餾塔的塔體工藝尺寸計算；5)塔板主要工藝尺寸的計算；6)塔板的流體力學驗算；7)塔板負荷性能圖；8)精餾塔接收尺寸計算；9〕對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論。2、設(shè)計圖紙要求：1)繪制生產(chǎn)工藝流程圖〔A2號圖紙〕；2)繪制精餾塔設(shè)計條件圖〔A2號圖紙〕。五、設(shè)計根底數(shù)據(jù)：1.常壓下乙醇——水體系的t-x-y數(shù)據(jù)；2.乙醇的密度、粘度、外表力等物性參數(shù)。。前言化工生產(chǎn)中所處理的原料中間產(chǎn)品幾乎都是由假設(shè)干組分組成的混合物。其局部是均相混合物。生產(chǎn)中為滿足要求需將混合物別離成較純的物質(zhì)。精餾是別離液體混合物〔含可液化的氣體混合物〕最常用的一種單元操作。在化工、煉油、石油化工等工業(yè)中得到廣泛應用。精餾過程在能量劑的驅(qū)動下〔有時加質(zhì)量劑〕。使氣、液兩相屢次直接接觸和別離。利用液相混合物中各組分揮發(fā)度的不同。使易揮發(fā)組分由液相向氣相轉(zhuǎn)移。難揮發(fā)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移。實現(xiàn)原料混合液中各組分的別離。該過程是同時進展傳質(zhì)、傳熱的過程。在本設(shè)計中我們使用篩板塔。篩板塔的突出優(yōu)點是構(gòu)造簡單造價低。合理的設(shè)計和適當?shù)牟僮骱Y板塔能滿足要求的操作彈性。而且效率高采用篩板可解決堵塞問題適當控制漏液。篩板塔是最早應用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備之一。五十年代之后通過大量的工業(yè)實踐逐步改良了設(shè)計方法和構(gòu)造。近年來與浮閥塔一起成為化工生中主要的傳質(zhì)設(shè)備。為減少對傳質(zhì)的不利影響。可將塔板的液體進入?yún)^(qū)制成突起的斜臺狀這樣可以降低進口處的速度使塔板上氣流分布均勻。篩板塔多用不銹鋼板或合金制成。使用碳鋼的比率較少。它的主要優(yōu)點是：構(gòu)造簡單。易于加工。造價為泡罩塔的60左右。為浮閥塔的80%左右；在一樣條件下。生產(chǎn)能力比泡罩塔大20%～40%；塔板效率較高。比泡罩塔高15%左右。但稍低于浮閥塔；氣體壓力降較小。每板降比泡罩塔約低30%左右。缺點是：小孔篩板易堵塞。不適宜處理臟的、粘性大的和帶固體粒子的料液；操作彈性較小〔約2～3〕。蒸餾是別離均相混合物的單元操作。精餾是最常用的蒸餾方式。是組成化工生產(chǎn)過程的主要單元操作。精餾是典型的化工操作設(shè)備之一。進展此次課程設(shè)計的目的是為了培養(yǎng)綜合運用所學知識,來解決實際化工問題的能力,做到能獨立進展化工設(shè)計初步訓練。為以后從事設(shè)計工作打下堅實的根底。流程確實定和說明2.1設(shè)計思路首先，乙醇和水的原料混合物進入原料罐，在里面停留一定的時間之后，通過泵進入原料預熱器，在原料預熱器中加熱到泡點溫度，然后，原料從進料口進入到精餾塔中。因為被加熱到泡點，混合物中既有氣相混合物，又有液相混合物，這時候原料混合物就分開了，氣相混合物在精餾塔中上升，而液相混合物在精餾塔中下降。氣相混合物上升到塔頂上方的冷凝器中，這些氣相混合物被降溫到泡點，其中的液態(tài)局部進入到塔頂產(chǎn)品冷卻器中，停留一定的時間然后進入乙醇的儲罐，而其中的氣態(tài)局部重新回到精餾塔中，這個過程就叫做回流。液相混合物就從塔底一局部進入到塔底產(chǎn)品冷卻器中，一局部進入再沸器，在再沸器中被加熱到泡點溫度重新回到精餾塔。塔里的混合物不斷重復前面所說的過程，而進料口不斷有新鮮原料的參加。最終，完成乙醇和水的別離。2.1設(shè)計流程乙醇—水混合液經(jīng)原料預熱器加熱，進料狀況為汽液混合物q=1送入精餾塔，塔頂上升蒸汽采用全凝器冷凝，一局部入塔回流，其余經(jīng)塔頂產(chǎn)品冷卻器冷卻后，送至儲罐,塔釜采用直接蒸汽加熱,塔底產(chǎn)品冷卻后,送入貯罐(附流程圖)。摘要本設(shè)計是以乙醇――水物系為設(shè)計物系，以篩板塔為精餾設(shè)備別離乙醇和水。篩板塔是化工生產(chǎn)中主要的氣液傳質(zhì)設(shè)備，此設(shè)計針對二元物系乙醇－－水的精餾問題進展分析，選取，計算，核算，繪圖等，是較完整的精餾設(shè)計過程。通過計算得出xF=0.174,xD=0.86,xW=0.002,F=137.98kmol/h,實際板數(shù)為37塊，工藝參數(shù)的選定泡點進料、泡點回流。回流比為2.78,進料位置為第11塊，在板式塔主要工藝尺寸的設(shè)計計算中得出塔徑為1米，有效塔高19.7米，。通過篩板塔的流體力學驗算，證明各指標數(shù)據(jù)均符合標準。本次設(shè)計過程正常，操作適宜。關(guān)鍵詞：乙醇，水，二元精餾，篩板連續(xù)精餾精餾塔，提餾段1塔的工藝計算查閱文獻，整理有關(guān)物性數(shù)據(jù)表1-1年處理原料能力F=25000噸/年質(zhì)量分數(shù)分子量1.1進料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分數(shù)F：進料量〔kmol/s〕：原料組成〔摩爾分數(shù)。下同〕D：塔頂產(chǎn)品流量〔kmol/s〕：塔頂組成W：塔底殘液流量〔kmol/s〕：塔底組成根據(jù)公式：〔1-1〕原料液乙醇的摩爾組成==17.40%塔頂產(chǎn)品乙醇的摩爾組成==86%塔底殘夜乙醇的摩爾組成==0.20%1.2平均摩爾質(zhì)量根據(jù)公式可得：〔1-2〕原料液的平均摩爾質(zhì)量：餾出液的平均摩爾質(zhì)量：塔釜殘液的平均摩爾量：1.3全塔物料衡算：進料量：F=25000噸/年=137.98kkmol/h全塔物料衡算式：F=D+W,F*=D*+W*解之得：D=27.68kmol/h，W=110.30kmol/s1．4回流比確實定1.4.1平均相對揮發(fā)度的計算由相平衡方程〔1-3〕得：〔1-4〕表1-2由常壓下乙醇-水的平衡數(shù)據(jù)由道爾頓分壓定律〔1-5〕得〔1-6〕將上表數(shù)據(jù)代入得：序號123453.68153.15692.72542.35012.1263序號6789101.91551.72281.54081.41961.3207那么那么平衡線方程1.4.2最小回流比的計算和適宜回流比確實定因為所以相平衡方程：泡點進料：最小回流比：任務要求操作回流比是最小回流比的1.6倍1.4.3精餾段和提餾段操作線方程確實定精餾段：〔1-7〕精餾段操作線方程：提餾段：〔1-7〕提餾段操作線方程：通過精餾段操作線方程和提餾段操作線方程用圖解法所得理論塔板數(shù)為16塊，其中第12塊為進料板，精餾段的理論塔板數(shù)為12塊。提餾段的理論塔板數(shù)為4塊。得圖如下：圖1-1理論塔板數(shù)圖解1.5精餾塔的塔頂、進料板、塔釜溫度、全塔效率確實定1.5.1全塔的相對平均揮發(fā)度的計算常壓下乙醇和水的氣液平衡數(shù)據(jù)表1—3乙醇—水系統(tǒng)t—x—y數(shù)據(jù)沸點t/℃乙醇摩爾數(shù)/%沸點t/℃乙醇摩爾數(shù)/%氣相液相氣相液相99.90.0040.0538227.356.4499.80.040.5181.333.2458.7899.70.050.7780.642.0962.2299.50.121.5780.148.9264.7099.20.232.9079.8552.6866.2899.00.313.72579.561.0270.2998.750.394.5179.265.6472.7197.650.798.7678.9568.9274.6995.81.6116.3478.7572.3676.9391.34.1629.9278.675.9979.2687.97.4139.1678.479.8281.8385.212.6447.4978.2783.8784.9183.7517.4151.6778.285.9786.4082.325.7555.7478.1589.4189.41根據(jù)乙醇-水體系的相平衡數(shù)據(jù)可得：乙醇相對分子質(zhì)量：46；水相對分子質(zhì)量：18(塔頂?shù)谝粔K板)(加料版)(塔底)由相平衡方程式〔1-3〕和〔1-4〕得由此式可求得精餾段的相對平均揮發(fā)度：提餾段的相對平均揮發(fā)度：精餾段的平均溫度：提餾段的平均溫度：表1-4乙醇和水的粘度溫度〔℃〕2030405060708090100110水的粘度〔〕1.0020.8020.6620.5920.4690.4000.3300.3180.2480.259乙醇的粘度〔〕1.221.000.830.690.380.480.450.3510.3050.262在時，根據(jù)上圖可知對應的，由"〔液體粘度共線圖〕"查得在時，根據(jù)上圖可知對應的，由"〔液體粘度共線圖〕"查得()因為：粘度所以：精餾段的平均粘度：提餾段的平均粘度：用奧康奈爾法計算全塔效率得：精餾段的全塔效率：提餾段的全塔效率：3實際塔板數(shù)的計算根據(jù)公式：〔1-8〕得：精餾段的塔板數(shù):取整25塊，考慮平安系數(shù)加一塊為26塊提餾段的塔板數(shù)：取十塊，考慮平安系數(shù)加一塊為11塊。故進料板為27塊，實際塔板數(shù)37塊。1.6精餾塔主體尺寸確實定1.6.1精餾段的氣液體積流量精餾段的數(shù)據(jù)位置進料板塔頂?shù)谝粔K板摩爾分數(shù)摩爾質(zhì)量/溫度/液相平均摩爾質(zhì)量：液相平均溫度：在平均溫度為時表1-5乙醇和水的密度溫度〔℃〕2030405060708090100110乙醇的密度〔〕795785777765755746735730716703水的密度〔〕998.2995.7992.2998.1983.2977.8971.8965.3958.4951.0用插法求得：液相平均密度為：〔1-9〕其中，平均質(zhì)量分數(shù)那么：所以精餾段的液相負荷由所以：〔1-10〕精餾段塔頂壓強假設(shè)取單板壓降為，那么：進料板壓強：氣相平均壓強：氣相平均摩爾質(zhì)量：氣相平均密度：氣相負荷：精餾段的負荷列于下表：名稱氣相液相平均摩爾質(zhì)量/37.9433.02平均密度/1.493800體積流量/2487.6(0.691)3.18〔0.000883〕1.6.2提餾段的氣液體積流量整理提餾段的數(shù)據(jù)列于下表:位置塔釜進料板質(zhì)量分數(shù)摩爾分數(shù)摩爾質(zhì)量()溫度()99.383.61采用與精餾段一樣的計算方法可以得到提餾段的氣液相負荷，列于下表：名稱液相氣相平均摩爾質(zhì)量()20.0526.18平均密度()924.54.43體積流量()4.59(0.001275)2976.6()1.7塔徑的計算由于精餾段和提餾段的上升蒸汽量相差不大，為便于制造，我們?nèi)啥蔚乃较嗟?。由以上的計算結(jié)果可以得到：塔的平均蒸汽流量：塔的平均液相流量：塔的氣相平均密度:由塔徑公式〔1-11〕可知：由于示意的空塔氣速，因此，需先計算出最大允許氣速。即〔1-12〕取塔板間距，板上液高度那么別離空間高度：氣液動能參數(shù)：從"化工原理"的史密斯關(guān)聯(lián)圖查得：圖1-2史密斯關(guān)聯(lián)圖外表力：,因為,需先求平均外表力表1-6乙醇和水的外表力溫度〔℃〕2030405060708090100110水的外表力〔〕72.771.069.367.766.064.362.760.058.456.8乙醇的外表力〔〕22.321.220.419.818.818.017.116.215.214.4根據(jù)上圖使用插法得：塔頂：塔頂平均外表力：進料板進料板的平均外表力：塔底塔底的平均外表力：精餾段液體平均外表力：提餾段液體平均外表力：全塔液相平均外表力：取空塔速率為最大允許速率的0.7倍，那么空塔速率為：那么塔徑為：根據(jù)標準塔徑圓整為：此時，精餾塔的上升蒸汽速度為：提餾段的上升蒸汽速度為：平安系數(shù)：和均在0.6-0.8之間，符合要求。1.8塔高的計算1.8.1塔的高度可以由下式計算:一直實際塔板數(shù)N=37塊，板間距，由于料液較輕的話，無需經(jīng)常清洗，可取每隔8塊板設(shè)一個人孔，那么人孔數(shù)目S為：取人孔兩板之間的間距，那么塔頂空間，塔底空間，進料板空間高度：，那么全塔高度：1.8.2塔板構(gòu)造尺寸確實定由于塔徑大于800mm，所以采用單溢流型分。取無效邊緣區(qū)寬度,泡沫區(qū)寬度查得堰長：弓形溢流管寬度:弓形降液管面積:降液管面積與塔截面積之比：堰長與塔徑之比降液管的體積與液相流量之比，即液體在降液管中停留時間一般應大于5S,液體在精餾段降液管的停留時間：符合要求液體在提餾段降液管的停留時間：符合要求1.8.3弓形降液管采用平直堰，堰高—板上液層深度一般不宜超過60—70—堰上液流高度堰上液流高度可根據(jù)如下公式計算：E—液體的收縮系數(shù)—液相的體積流量—堰長精餾段：由查手冊知那么降液管底部離塔板距離,考慮液封取比小即同理提餾段:由查手冊E=1.0381.8.4開孔面積的計算近取無效邊緣區(qū)寬度泡沫區(qū)寬度閥孔總面積可由下式得：〔1-13〕所以〔1〕篩板的篩孔和開孔率因乙醇-水組分無腐蝕性，可選用的碳鋼板，取篩孔直徑篩孔按正三角排列：圖1-3篩孔的排列方式孔中心距篩孔數(shù)目：個開孔率：(在5-15%圍)氣體通過篩孔的氣速為：〔1-14〕那么精餾段：提餾段：1.9塔體的流體力學驗算1.9.1氣體通過塔板的壓力降氣體通過塔板的壓力降〔單板壓降〕〔1-15〕--氣體通過每層塔板壓降相當?shù)囊褐叨?-氣體通過篩板的干板壓降--氣體通過板上液層的阻力--克制液體外表力的阻力〔1〕干板阻力干板壓降，由此公式計算：〔1-16〕根據(jù)查干篩孔的流量系數(shù)圖圖1-4孔流系數(shù)得精餾段：液柱提餾段：液柱〔2〕板上充氣液層阻力板上液層阻力用此的公式計算：〔1-17〕--板上清液層高度--反響板上液層充氣程度的因數(shù)〔充氣因數(shù)〕降液管橫截面積，塔橫截面積精餾段：動能因子：查充氣系數(shù)與的關(guān)聯(lián)圖可得那么提餾段：動能因子：查充氣系數(shù)與的關(guān)聯(lián)圖可得那么〔3〕由外表力引起的阻力液體外表力的阻力計算公式：〔1-18〕精餾段：提餾段：綜上，故精餾段液柱壓降提餾段液柱壓降1.9.2液面落差對于篩板塔，液面落差很小，且本設(shè)計的塔徑和流量均不大，故可忽略液面落差的影響。1.9.3液沫夾帶板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象，叫做液沫夾帶。為保證板式塔能維持正常的操作效果，通常塔板上液沫夾帶量，可按下式計算：〔1-19〕精餾段：提餾段：故在本設(shè)計中液沫夾帶量在允許圍，不會發(fā)生過量液沫夾帶。1.9.4漏液漏液驗算，根據(jù)公式：〔1-20〕穩(wěn)定系數(shù)：--篩孔氣速--漏液點氣速精餾段：實際孔速：穩(wěn)定系數(shù)為提餾段：實際孔速：穩(wěn)定系數(shù)：故在本設(shè)計中無明顯漏液。1.9.5液泛為阻止塔發(fā)生液泛，降液管液層高應服從的關(guān)系：〔乙醇-水不易別離的體系〕精餾段：又因為板上不設(shè)進口堰：提餾段：故在本設(shè)計中不會發(fā)生液泛現(xiàn)象。1.10.塔板負荷性能圖1.10.1精餾段塔板負荷性能圖〔1〕漏液線據(jù)此可以做出與流體流量無關(guān)的水平漏液線〔2〕液沫夾帶線以那么解得計算所得：0.0020.0040.006O.0080.00940.00880.00830.0078〔3〕液相負荷下限線對于平直堰，取堰上清液層高度作最小液體負荷標準，由那么：據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限3〔4〕液相負荷上限線以作為液體在降液管管中停留時間的下限據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上線4〔5〕液泛線令聯(lián)立的：〔1-21〕整理得：0.1620.2241.434(1-14)列表計算如下0.0040.0060.0080.0101.061.010.9450.88由此表數(shù)據(jù)即可做出液泛線5根據(jù)以上各線方程，可做出篩板塔的負荷性能曲線:圖1-5精餾塔負荷曲線圖1.11提餾段塔板的負荷性能圖1.11.1漏液線0.816據(jù)此可得出與流體流量無關(guān)的水平漏液線。1.11.2液沫夾帶線以為限，求如下：〔1-22〕，，那么 解得：0.0020.0040.0060.0081.3581.3031.2761.248可作出液沫夾帶線2。1.11.3液相負荷下限0.000285據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷下限線31.11.4液相負荷上限線據(jù)此可作出與氣體流量無關(guān)的垂直液相負荷上限線41.11.5液泛線0.144可得方程：〔1-23〕列表計算如下：0.0010.0040.0060.0080.0101.141.1010.9360.8080.624根據(jù)以上各線方程，可做出篩板塔提餾段的負荷性能圖圖1-6提餾段負荷性能曲線圖1.12各接收尺寸確實定即及選型1.12.1進料管尺寸的計算及選型料液質(zhì)量流率：進料溫度：,在此溫度下，那么從可得那么其體積流量：取管流速：那么進料管管徑：1.12.2釜液出口管尺寸的計算與選型釜液質(zhì)量流率：出料溫度：,在此溫度下，那么體積流率：取釜液出塔的流速:那么釜液出口管管徑：8心得體會課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題，鍛